CN101478294A - 共源共栅开关功率放大器的系统和方法 - Google Patents

共源共栅开关功率放大器的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明的示例性实施例可提供一种用于共源共栅开关功率放大器的系统和方法。所述系统和方法可包括第一共源极装置，所述第一共源极装置具有第一源极、第一栅极、第一漏极和第一体，其中，第一源极被连接到第一体，第一栅极被连接到输入端口。所述系统和方法还可包括第二共栅极装置，所述第二共栅极装置具有第二源极、第二栅极、第二漏极和第二体，其中，第二源极被连接到第一漏极，第二源极还被连接到第二体，第二漏极被连接到输出端口。

Description

共源共栅开关功率放大器的系统和方法
技术领域
本发明的实施例通常涉及共源共栅功率放大器。
背景技术
功率放大器(PA)可被用于无线电前端及其他无线装置/应用中。因为这些PA消耗大量的功率，所以会期望利用高效率的PA。然而，设计高效率和高输出功率的PA(比如互补金属氧化物半导体(CMOS)PA)是一项挑战性的任务。因此，需要高功率和高效率的功率放大器。
发明内容
示例性实施例可针对高效率的功率放大器(比如高效率的互补金属氧化物半导体(CMOS)共源共栅开关功率放大器)。根据本发明示例性实施例的高效率放大器可包括CMOS共源共栅装置和负载网络。根据示例性CMOS共源共栅结构，共栅极装置的体可被连接到共栅极装置的源极(BS共源共栅)。在OFF状态，流经共栅极装置的漏电流的量可相对小。因此，由于在CMOS共源共栅装置中的亚阈值/弱反转区中的漏电流，BS共源共栅结构可使得功率损耗最小化。根据本发明示例性实施例，BS共源共栅结构可被包含在多种类型的开关功率放大器中。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于功率放大器的系统。所述系统可包括：第一共源极装置，具有第一源极、第一栅极、第一漏极和第一体，其中，第一源极被连接到第一体，第一栅极被连接到输入端口；第二共栅极装置，具有第二源极、第二栅极、第二漏极和第二体，其中，第二源极被连接到第一漏极，第二源极还被连接到第二体，第二漏极被连接到输出端口。
根据本发明另一示例性实施例，提供了一种用于功率放大器的方法。所述方法可包括：提供第一共源极装置，所述第一共源极装置具有第一源极、第一栅极、第一漏极和第一体，其中，第一栅极用作输入端口；提供第二共栅极装置，所述第二共栅极装置具有第二源极、第二栅极、第二漏极和第二体，其中，第二漏极用作输出端口。所述方法还可包括将第一源极连接到第一体；将第二源极连接到第二体；通过将第一漏极连接到第二源极来将第一共源极装置和第二共栅极装置堆叠。
附图说明
现在将参照不必要按比例绘制的附图来整体上描述本发明，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的包括开关功率放大器的功率发射机系统的框图；
图2是根据本发明示例性实施例的具有阻抗变换网络的BS-CMOS共源共栅开关功率放大器系统的示意图；
图3是根据本发明示例性实施例的示例性CMOS BS共源共栅E类功率放大器系统的示意图；
图4是根据本发明示例性实施例的示例性CMOS BS共源共栅E类功率放大器系统的等效电路模型；
图5是根据本发明示例性实施例的示例性CMOS BG共源共栅E类功率放大器系统的示意图；
图6是根据本发明示例性实施例的示例性CMOS BG共源共栅E类功率放大器系统的等效电路模型；
图7是根据本发明示例性实施例的共栅极装置的漏极和源极的电压波形图以及共栅极装置的栅极-源极电压VGS的波形图；
图8是根据本发明示例性实施例的BS共源共栅功率放大器结构的示例性测量结果的示图。
具体实施方式
下面将参照附图来更全面地描述本发明的示例性实施例，本发明的若干(而非所有)实施例在附图中示出。实际上，这些发明可以以很多不同的形式来实现，并且不应该解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例以便本公开将满足生效的法律的要求。相同的标号始终表示相同的部件。
图1示出根据本发明示例性实施例的开关功率放大器(PA)系统100，所述系统100可包括输入端口101、可选驱动放大器级102、一个或多个开关功率放大器103和可选阻抗变换网络104。根据本发明示例性实施例，驱动放大器级102可从输入端口101接收比如基带信号或RF信号的输入，并可产生输出以驱动开关功率放大器103。如图1所示，开关功率放大器103可通过电源电压端口106(Vdd)被供电。然后，开关功率放大器103可将放大的输出信号提供给阻抗变换网络104，所述阻抗变换网络104将功率放大器103的输出阻抗与输出端口105的负载阻抗相匹配。根据本发明的示例性实施例，负载可以是开关、复用器、滤波器、天线或其他类型的负载。根据本发明示例性实施例，负载阻抗可以是50ohm。在负载阻抗是50ohm时，根据本发明示例性实施例，阻抗变换网络104可将开关功率放大器103的输出阻抗变换为50ohm。
图2示出了根据本发明示例性实施例的利用BS(体源body-source)共源共栅结构的CMOS共源共栅开关功率放大器系统的示意图。如图2所示，功率放大器系统200可包括与可选阻抗变换网络216通信的BS-共源共栅开关放大器220。根据本发明示例性实施例，阻抗变换网络216可以是用于将开关功率放大器220的输出阻抗与输出负载217(Pout)的负载阻抗(例如50ohm)匹配的1：n变压器。
还参照图2，根据本发明示例性实施例，BS共源共栅开关放大器220可以是CMOS BS共源共栅开关放大器，所述CMOS BS共源共栅开关放大器包括具有第一源极205、第一栅极204、第一漏极203和第一体206的第一共源极装置或晶体管202(M1)。同样，根据本发明的示例性实施例，CMOS BS共源共栅开关放大器220还可包括具有第二源极211、第二栅极210、第二漏极209和第二体212的第二共栅极晶体管或装置208(M2)。
根据本发明的示例性实施例，第一共源极装置202(M1)可以与第二共栅极装置208(M2)串联连接以减少会被一个装置承受的负荷或电压应力。根据本发明示例性实施例，装置202(M1)和装置208(M2)可以通过将第一共源极装置202(M1)的第一漏极203与第二共栅极装置208(M2)的第二源极211连接来串联连接。另外，体源放大器结构还可被应用到共源共栅开关放大器220以减少漏电流或者使漏电流最小化，从而增加放大器220的效率。在根据本发明示例性实施例的体源放大器结构的情况下，第一源极205可被连接到第一共源极装置202(M1)的第一体206，第二源极211可被连接到第二共栅极装置208(M2)的第二体212。此外，第一共源极装置202(M1)的第一源极205可被连接到地(GND)，同时第二共栅极装置208(M2)的第二栅极207可被连接到栅极偏置端口207(Vg)。根据本发明的示例性实施例，可在第一共源极装置202(M1)的第一栅极201设置输入端口201(Pin)。
依旧参照图2，可在第二共栅极装置208(M2)的电源214(Vdd)和第二漏极209之间设置RF扼流圈213。扼流圈213可用于向漏极209提供DC电源。根据本发明示例性实施例，可将RF扼流圈213选择为足够大从而通过第二漏极209的电流可基本上保持不变。另外，共源共栅开关放大器220的输出端口可被设置在第二共栅极装置208(M2)的第二漏极209，并被连接到负载网络215。根据本发明示例性实施例，负载网络215可被用于在输出端口和阻抗变换网络216之间执行开关操作。负载网络215的结构可取决于开关功率放大器220的特性(例如，D、E或F类等)。例如，D、E和F类开关方式功率放大器(PA)可需要执行其自己的开关操作的负载网络。在这种情况下，D类PA为了它们的操作会需要LCR谐振器。同样，E类PA会需要一个或多个LCR支路，F类PA会需要若干集总的元件以执行谐波终端。根据本发明示例性实施例，在开关操作中，一个或多个装置可能会严重过载，用作开关网络的负载网络可以以100％的效率将DC能量转换为RF能量。
应当理解，根据本发明示例性实施例，晶体管202(M1)、208(M2)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。然而，应当理解，在不脱离本发明示例性实施例的情况下，可利用其他场效应晶体管FET。
图3示出根据本发明示例性实施例的CMOS BS共源共栅E类功率放大器300的电路图。如图3所示，根据本发明示例性实施例，可使用第一共源极晶体管或装置302(M1)和第二共栅极晶体管或装置308(M2)来实现BS共源共栅放大器结构。第一装置302(M1)可包括第一源极305、第一栅极304、第一漏极303和第一体306，第二装置308(M2)可具有第二源极311、第二栅极310、第二漏极309和第二体312。根据本发明示例性实施例，可以通过将第一漏极303和第二源极311相连接来将第一装置302(M1)与第二装置308(M2)串联。另外，通过将第一源极305与第一体306相连接并将第二源极311与第二体312相连接来实现BS共源共栅放大器结构。
在图3中，共源极装置302(M1)可使它的源极305连接到地，同时，共栅极装置308(M2)可使其栅极310连接到栅极偏置端口307。此外，如图3所示，第二装置308(M2)的第二漏极的输出端口可被连接到负载网络315。根据本发明示例性实施例，负载网络315可以是可用作E类开关条件的L-C-R网络。例如，E类负载网络315可包括电容元件315、电感元件316和电阻元件317的一系列的组合。根据本发明示例性实施例，可使用集总的元件来实现元件315、316和317。
图4示出根据本发明示例性实施例的图3的BS共源共栅功率放大器的等效电路模型。如图4所示，根据本发明示例性实施例，共源极装置302(M1)可被表示为具有OFF状态和ON状态的开关401。同样，根据本发明示例性实施例，共栅极装置308(M2)可被表示为具有OFF状态和ON状态的开关404。根据本发明示例性实施例，共源极装置302(M1)的ON状态电阻402(ron1)可以与共栅极装置308(M2)的ON状态电阻405(ron2)串联连接。依旧参照图4，共源极装置302(M1)的输出电容403可以是装置302(M1)的漏极-体电容Cdb1和装置308(M2)的栅极-源极电容Cgs2的和。输出电容403可以与装置308(M2)的输出电容406串联连接，所述输出电容406可以是装置308(M2)的漏极-体电容406(Cdb2)。
应该理解，在一些实施例中，当BS共源共栅放大器处于OFF状态以增加BS共源共栅放大器的效率时，可期望减小或消除共栅极装置308(M2)的漏电流。根据本发明示例性实施例，可通过利用根据本发明示例性实施例的BS共源共栅放大器结构来减小或消除共栅极装置308(M2)的漏电流，所述BS共源共栅放大器结构使共栅极装置308(M2)的源极的电压高于共栅极装置308(M2)的栅极电压(Vg)减去共栅极装置308(M2)的阈值电压(VTH2)。
更具体地讲，在BS共源共栅放大器结构下，由于装置302(M1)的源极可被连接到装置302(M1)的体，所以可消除装置302(M1)的源极-衬底电容Csb1。因此，可通过消除源极-衬底电容Csb1来减小共源极装置302(M1)的输出电容403。以这种方式，在图4中的BS共源共栅放大器的OFF状态期间，AC电流流过输出电容403和406限定的串联路径，并使共栅极装置308(M2)的源极电压Vs处于比共栅极装置308(M2)的栅极电压(Vg)减去共栅极装置308(M2)的阈值电压VTH2(例如，Vg-VTH2)高的电势。因此，在OFF状态下，可在共栅极装置308(M2)内消除或减小漏电流。根据本发明示例性实施例，共栅极装置308(M2)中的漏电流的消除或减小可被用于提高BS共源共栅放大器的效率。
图5示出根据本发明示例性实施例的示例性CMOS体-地(BG)共源共栅E类功率放大器的电路图。具体地讲，图5中的电路图示出包括第一共源极装置502和第二共栅极装置508的BG共源共栅放大器结构，所述第一共源极装置502具有第一源极505、第一栅极504、第一漏极503和第一体506，第二共栅极装置508具有第二源极511、第二栅极510、第二漏极509和第二体512。根据本发明示例性实施例，可通过将第一漏极503和第二源极511连接来将共源极装置502与共栅极装置508串联连接。根据本发明示例性实施例，共源极装置502和共栅极装置508的串联连接可减小被任何一个装置承受的电压应力。
在图5中，BG共源共栅放大器结构可包括将第一共源极装置502的第一体506和共栅极装置508的第二体512连接到地。根据本发明示例性实施例，共源极装置502的栅极504可被连接到输入端口501(Pin)，而共栅极装置508的栅极510可被连接到栅极偏置端口507(Vg)。根据本发明示例性实施例，BG共源共栅放大器的输出端口可被设置在第二共栅极装置508的第二漏极509，并被连接到负载网络。根据本发明示例性实施例，负载网络可包括L-C-R元件，包括用于E类开关条件的电容元件515(Cs)、电感元件516(Ls和电阻元件(RL)。
图6示出根据本发明示例性实施例的BG共源共栅E类功率放大器的等效电路图。根据本发明示例性实施例，如图6所示，共源极装置502可被表示为具有OFF状态和ON状态的开关601。同样，根据本发明示例性实施例，共栅极装置508可被表示为具有OFF状态和ON状态的开关604。根据本发明示例性实施例，共源极装置502的ON状态电阻602(ron1)可以与共栅极装置508的ON状态电阻605(ron2)串联连接。
仍旧参照图6，共源极装置502的输出电容603可以是装置502的漏极-体电容Cdb1、装置508的栅极-源极电容Cgs2和装置508的源极-体电容Csb2的和。根据本发明示例性实施例，输出电容603可以与可包括装置508的漏极-体电容(Cdb2)的共栅极装置508的输出电容606分离。
根据本发明示例性实施例，共栅极装置508的源极电压可在OFF状态下上升至VG-VTH2。因为在装置508的漏极和源极之间存在大的电压差，所以装置508可处在亚阈值/弱反转区，漏电流可流动，从而导致功率损耗。因此，为了使漏电流最小化，调谐电感器可被连接到装置508的源极以增加装置508的源极电压，并使漏电流最小化。然而，BG共源共栅放大器的设计可需要另外的空间以容纳调谐电感器的设计。
仿真和实验结果
图7显示根据本发明示例性实施例的用于BG共源共栅放大器和BS共源共栅放大器的共栅极装置的漏极和源极的仿真电压波形以及共栅极装置的栅极-源极电压VGS的仿真电压波形。根据本发明示例性实施例，每个共源共栅结构具有0.18μm的共源极和0.35μm的共栅极的堆叠结构。在共源极装置的OFF状态下，BS共源共栅放大器的共栅极装置的源极电压可大于BG共源共栅放大器中的共栅极装置的源极电压。根据本发明示例性实施例，由于对共栅极装置的输出电容充电直至共栅极装置进入亚阈值区域，因此，BG共源共栅放大器中的共栅极装置的源极电压可增加。根据本发明示例性实施例，源极电压可上升至VG-VTH2。当如图7所示，体接地并且源极大约是2.5V时，0.35μm装置的阈值电压VTH大约可为1V。根据本发明示例性实施例，因为漏电流流入共源极装置的大的输出电容而导致共栅极装置的源极的电压变化，且电压变化几乎相同，所以BG共源共栅放大器中的共栅极装置的栅极-源极电压VGS可以是共源极装置的OFF状态下的VTH2。尽管漏电流小，但是因为在共栅极装置的源极和漏极之间存在大的电压差，所以功率损耗大。另一方面，因为AC电流依然流过串联的电容连接，Cdb2和Cgs2+Cdb1，所以BS共源共栅放大器中的共栅极装置的源极电压可在共源极装置的OFF状态下增加。如图7所示，在OFF状态下，由于电流流动，共栅极装置M2的源极电压可超过VG-VTH。在共源极装置M1的OFF状态下，BS共源共栅放大器中的共栅极装置M2的栅极-源极电压VGS可以小于BG共源共栅放大器的共栅极装置的栅极-源极电压VGS，从而BS共源共栅放大器的亚阈值电流可同样小于BG共源共栅放大器的亚阈值电流。另外，根据本发明示例性实施例，在不添加附加电感器的情况下，可使BS共源共栅放大器的功率损耗最小化。
BS共源共栅E类PA的另一方面可以是寄生输出电容的小的组合。如图4和图6所示，在BS共源共栅放大器中的共源极装置M1的输出电容可小于BG共源共栅放大器中的共源极装置的输出电容。如上所述，小的输出电容可减小在OFF状态下的功率损耗。此外，共源极装置M1的小输出电容可减小共栅极装置M2从ON状态到OFF状态或者从OFF状态到ON状态的转换时间。通常，为了使由于ON状态电阻ron的功率损耗最小化，会需要增加装置大小直至从共栅极装置M2的漏极的寄生电容可被合并到具有需要的E类开关条件的并联电容的电路中。因为来自共栅极装置M2的漏极的有效电容是Cdb2和Cgs2+Cdb1的串联连接，所以BS共源共栅放大器中的总电容可小于BG共源共栅放大器中的总电容。因此，根据本发明示例性实施例，在不增加寄生电容的情况下，可使用更大的装置。
图8示出根据本发明实施例的示例性BS共源共栅功率放大器的操作的示例性测量结果。这些测量结果示出这种示例性功率放大器的输出功率和功率附加效率。如图8所示，测量的结果满足频率范围在1700MHz～1950MHz之间的功率放大器性能的需要。在3.3V电源的情况下，获得1.75GHz时30.5dBm的输出功率和45％的相应的功率附加效率。
这里阐述的本发明的很多修改和其它实施例将使本发明所属领域的技术人员知悉在上面的描述和附图中呈现的教导的优点。因此，应该理解，本发明并不限于公开的具体实施例，并且修改和其他实施例将被意图包括在权利要求的范围内。尽管在这里采用了特定术语，但是它们只是一般和描述的意义，而不是为了限制的目的。

Claims (20)

1、一种功率放大器的系统，包括：
第一共源极装置，具有第一源极、第一栅极、第一漏极和第一体，其中，第一源极被连接到第一体，第一栅极被连接到输入端口；
第二共栅极装置，具有第二源极、第二栅极、第二漏极和第二体，其中，第二源极被连接到第一漏极，第二源极还被连接到第二体，第二漏极被连接到输出端口。
2、如权利要求1所述的系统，还包括：负载网络，连接到输出端口。
3、如权利要求2所述的系统，其中，功率放大器是E类放大器，负载网络包括串联连接的电感元件、电容元件和电阻元件。
4、如权利要求2所述的系统，还包括：阻抗变换网络，其中，负载网络用于在输出端口和阻抗变换网络之间提供开关操作。
5、如权利要求4所述的系统，其中，阻抗变换网络连接在负载网络和输出负载之间。
6、如权利要求5所述的系统，其中，输出负载包括开关、复用器、滤波器或天线。
7、如权利要求1所述的系统，其中，输入端口用于输入基带信号或射频信号。
8、如权利要求1所述的系统，其中，第一共源极装置提供由第二共栅极装置的栅极-源极电容和第一共源极装置的漏极-体电容的和限定的第一输出电容，第二共栅极装置提供由第二共栅极装置的漏极-体电容限定的第二输出电容。
9、如权利要求8所述的系统，其中，在功率放大器的OFF状态期间，AC电流流经第一输出电容和第二输出电容，从而增加第二共栅极装置的第二源极的源极电压。
10、如权利要求9所述的系统，其中，第二共栅极装置还包括栅极电压和阈值电压，其中，源极电压大于第二栅极的栅极电压和第二共栅极装置的阈值电压之间的差，从而使得功率放大器中的漏电流最小化。
11、一种用于功率放大器的方法，包括：
提供第一共源极装置，所述第一共源极装置具有第一源极、第一栅极、第一漏极和第一体，其中，第一栅极用作输入端口；
提供第二共栅极装置，所述第二共栅极装置具有第二源极、第二栅极、第二漏极和第二体，其中，第二漏极用作输出端口；
将第一源极连接到第一体；
将第二源极连接到第二体；
通过将第一漏极连接到第二源极来将第一共源极装置和第二共栅极装置堆叠。
12、如权利要求11所述的方法，还包括：将负载网络连接到输出端口。
13、如权利要求12所述的方法，其中，功率放大器是E类放大器，负载网络包括串联连接的电感元件、电容元件和电阻元件。
14、如权利要求12所述的方法，其中，负载网络用于在输出端口和阻抗变换网络之间提供开关操作。
15、如权利要求14所述的方法，还包括：在负载网络和输出负载之间连接阻抗变换网络。
16、如权利要求15所述的方法，其中，输出负载包括开关、复用器、滤波器或天线。
17、如权利要求11所述的方法，其中，输入端口用于输入基带信号或射频信号。
18、如权利要求11所述的方法，其中，第一共源极装置提供由第二共栅极装置的栅极-源极电容和第一共源极装置的漏极-体电容的和限定的第一输出电容，第二共栅极装置提供由第二共栅极装置的漏极-体电容限定的第二输出电容。
19、如权利要求18所述的方法，其中，在功率放大器的OFF状态期间，AC电流流经第一输出电容和第二输出电容，从而增加第二共栅极装置的第二源极的源极电压。
20、如权利要求19所述的方法，其中，第二共栅极装置还包括第二栅极的栅极电压和用于第二共栅极装置的阈值电压，其中，源极电压大于栅极电压和阈值电压之间的差，从而使得功率放大器中的漏电流最小化。
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